【摘 要】
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土壤有机矿物复合体对土壤有机碳(SOC)的长期保存起着关键作用。有机碳与活性铝和铁矿物结合被认为是通过限制微生物和酶对碳(C)分解而影响有机碳稳定性的重要机制。然而,这些复合体对生物产物(如根分泌物)和土壤性质(如土壤pH值、阳离子)敏感。在高寒山地生态系统中,地形因子导致的微气候和环境因子随季节的剧烈变化会显著改变土壤的生物地球化学过程,进而影响土壤有机矿物复合体的时空分布。本研究以高寒山地土壤
【基金项目】
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四川省科技厅重点课题(2015FZ0022);
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土壤有机矿物复合体对土壤有机碳(SOC)的长期保存起着关键作用。有机碳与活性铝和铁矿物结合被认为是通过限制微生物和酶对碳(C)分解而影响有机碳稳定性的重要机制。然而,这些复合体对生物产物(如根分泌物)和土壤性质(如土壤pH值、阳离子)敏感。在高寒山地生态系统中,地形因子导致的微气候和环境因子随季节的剧烈变化会显著改变土壤的生物地球化学过程,进而影响土壤有机矿物复合体的时空分布。本研究以高寒山地土壤为研究对象,设置3个海拔梯度(3 800 m,低海拔;4 000 m,中海拔;4 200 m,高海拔)和两个坡向(东北坡向NE,半阴坡;西南坡向SW,半阳坡)来研究土壤有机矿物复合体的空间分布特征。采用原位培养(植被去除)和田间试验相结合的方法,研究了高寒山地土壤有机矿物复合体的短期时间动态特征。分别用焦磷酸钠(PP)、盐酸-羟胺(HH)和连二亚硫酸钠-盐酸(DH)来量化有机-金属配合物、短程有序相(SRO)和结晶相中的有机碳含量。主要研究结果如下:(1)海拔和坡向显著影响着土壤理化性质的分布。相比与半阳坡,半阴坡的具有更高的土壤含水量,更高的养分含量和更丰富的植被类型以及更低的pH。而随海拔上升,土壤黏粒含量增加,团聚体含量减小,SOC,全氮和全磷增加,物种丰富度逐渐降低。(2)两种高寒山地土壤(高山草甸土(AM)和山地灰化土(MP))中,不同有机矿物复合体中的C含量和其占SOC的百分比相似。A层土壤Al和Fe矿物的结晶程度较低,有机金属配合物是A层土壤中主要的有机矿物复合体组分。随着土层深度的增加,Al和Fe矿物的结晶度增加,有机金属配合物的含量逐渐减小,而与非晶质和晶质矿物结合的C含量增加,这种规律在MP土壤中尤为明显。(3)海拔和坡向显著影响着土壤有机矿物复合体的分布。相比与半阳坡,半阴坡土壤中与矿物结合的C含量及其占SOC的百分比更高,不同结晶程度的Fe含量也更高。这与半阴坡土壤更高的土壤含水量和更低的pH有关。随海拔上升,有机金属配合物中C含量及其占SOC的百分比呈增加趋势,而与非晶质和晶质矿物结合的C含量呈减小趋势。此外,HH和PP提取的C和Fe呈显著正相关,而与Al没有显著性关系;而DH提取的C和Al呈显著正相关,而与Fe没有显著性关系。(4)冻融作用改变了土壤的化学性质,土壤pH和交换性阳离子在冻融后均显著增加。增加的土壤pH削弱了矿物对有机碳的吸附,AM中的CDH和C/MDH在冻融后分别降低7.72%和14.10%,与土壤pH呈显著负相关。而冻融后增加的Al3+和Fe3+可以直接与已形成的有机金属配合物反应,导致C/MPP在冻融后显著降低14.56%。而在低pH值的MP中,冻融作用其有机矿物复合体的含量和结构没有显著影响。(5)AM中,CHH的含量在8月显著低于10月和5月;而在MP中,CPP的含量在5月显著低于8月和10月,CHH的含量在10月显著高于8月和5月。其他组分的C含量尽管在季节间未表现出显著差异,而金属含量和C/M均有不同程度的变化,说明土壤有机矿物复合体在季节间存在动态变化。两种土壤中HH提取的C含量与SOC随季节的变化趋势一致,在10月达到最高值,体现了非晶质矿物在SOC储存和积累中的重要作用。(6)AM中各组分的C/SOC均在5月达到最高值。MP中CPP/SOC和CHH/SOC从10月到5月逐渐减小,而CDH/SOC逐渐增加。说明矿物对SOC的保护作用是周期性的。此外,两种土壤中C/SOC随季节呈现出不同的动态特征,说明有机矿物复合体的动态特征与土壤类型有关。微生物基质较少的土壤中(例如MP),土壤有机矿物复合体中的有机碳更容易被降解。研究表明,海拔、坡向、土壤类型、季节性冻融对有机碳及矿物复合体的时空分布有明显影响,土壤含水量、植被多样性和pH等是影响土壤有机矿物复合体形态和含量的重要因素。此外,尽管有机矿物复合体被认为是稳定的碳组分,在土壤性质(例如土壤pH、交换性阳离子和ECEC等)以及生物作用(根系分泌物)的季节性变化下,有机矿物复合体的含量和结构也存在一定的变异。因此,矿物对SOC的保护并不是绝对的,而是在一定环境因素和生物因素下有机碳的动态平衡。
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